Key techniques for slant streamer wide-band and wide-azimuth seismic data processing and their application to P Gas Field of Xihu Sag
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摘要: 西湖凹陷P气田应用斜缆宽频+多船宽方位的采集方式，产生了连续变化的鬼波陷波频率，最大程度地压制了鬼波，得到了高信噪比和高保真度的宽频宽方位地震资料。针对西湖凹陷P气田斜缆宽频地震资料，采用了子波零相位化及去气泡处理技术，一维滤波算子求逆有效压制震源鬼波技术和稀疏 τ-p反演方法有效压制接收器鬼波技术，有效地去除了多次波，拓宽了低频和高频信息，提高了地震资料的信噪比和分辨率。通过对实际资料对比分析，认为此方法可以得到较好的处理效果，可以提供较为真实的地震剖面，从而更好的指导生产。Abstract: In the P Gas Field of the Xihu Sag, the slant streamer broadband and multi-ship wide azimuth acquisition techniques are applied, which produced continuously ghost waves with various trap frequencies. Efforts are devoted to suppress the ghost wave as much as possible to obtain the broadband wide azimuth seismic data with high signal-to-noise ratio and high fidelity. The wavelet zero-phase and de-bubble processing techniques are adopted. As the results, the one dimensional filter operator inversion technique and sparse τ-p inversion technique suppressed effectively the ghost waves of seismic source, removed the multiple waves, broadened low-frequency and high-frequency information, both the signal-to-noise ratio and the resolution of seismic data are improved. Through comparison with actual data, it is concluded that this method can obtain better processing results, and produce better seismic profiles.
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Keywords:
- slant streamer /
- multiple waves /
- Xihu Sag /
- ghost wave /
- zero phase /
- wavelet
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0. 引言
海洋地震资料的多次波压制是地震资料处理最重要的环节，由于存在海底鸣震、海底多次波、层间多次波以及震源和检波器鬼波，使地震资料的成像品质严重下降。提高地震资料的成像精度，消除多次波干扰是一个极其重要的环节[1-3]。更好地去除多次波，提高地震资料的品质，首先要进行子波的零相位化，这是一个非常重要的手段，其次，多次波的压制也至关重要。一次波与多次波特性是不同的，主要表现在以下几个方面：①一次波与多次波由于速度的不同导致在地震剖面上时差存在不同；②一次波与多次波在CMP叠加剖面上倾角存在差别；③一次波与多次波的频率成分存在明显差别；④多次波存在明显的周期性。基于以上一次波与多次波的不同特点，可以应用相应的方法加以去除。一般来讲，多次波的压制是一个相对的过程，某一种方法很难把多种多次波去除干净，需要多种方法的组合应用，才能达到好的效果[3]。
1. 工区概况及资料采集
1.1 工区概况
西湖凹陷P构造为大型完整的背斜-断背斜圈闭，西陡东缓，深部为背斜型构造，构造高点位于NE向探井区。P气田受到的挤压应力弱，背斜幅度低，拉张正断层发育但结束较早，且EW向断层不发育，油气藏保存较为完整（图1）。P构造所在区域为浅海地区，海上地震资料多次波非常发育，由于海底比较浅，导致短周期的海水层相关多次波和直达波等噪音互相干扰，另外还有一些长周期的水面多次以及海水层多次波混合在一起，加上地震子波为非零相位子波，严重影响资料的信噪比。因此，子波零相位化和有效压制多次波/鬼波干扰，成为得到高质量地震资料非常重要的环节。
1.2 斜缆宽频宽方位地震资料的采集
P气田斜缆宽频宽方位地震资料采集是国内海上第1个商业性的斜缆宽频宽方位三维地震采集项目，新采集的宽频宽方位地震资料能够改善该地区地震资料的品质[4]。对后续气田的调整挖潜研究有很大的意义。本次地震资料采集采用了斜缆宽频+多船宽方位的采集作业施工方式，参与作业的船共有3条，分别是主船、炮船A和炮船B，采用行驶2次的采集方式，分别是M1和M2（图2）。第1次M1行驶主船与炮船A和炮船B分别相距1 000 m和2 000 m；第2次M2行驶主船与炮船A和炮船B分别相距3 000 m和4 000 m。为了使面元覆盖更加均匀，第1次M1与第2次M2在采集过程中炮点在Inline方向错开50 m，Crossline方向错开12.5 m。通过这种采集方式，面元中不仅包含偏移距信息，同时也包含方位角信息。以上采集方式最小偏移距200 m，最大偏移距6 200 m[5-7]。
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图 2 三船斜缆宽频宽方位采集M1+M2作业方式示意图Figure 2. A schematic diagram of M1 and M2 operation method for three ship slant streamer wide band and wide azimuth acquisition双宽地震资料处理时，将不同的偏移距和方位角划分成不同的区域，偏移距分成200～1 700 m、1 700 ～3 200 m、3 200 ～4 700 m、4 700～6 200 m等4个区域，将方位角分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°、315°～360°等8个扇区。保证了不同方位上覆盖次数的均衡。
采用斜缆宽频宽方位三维地震采集方式使得地震资料在各偏移距和方位角上，覆盖次数能够大致均衡，因此，地下复杂构造的成像更加精确，在一定程度上也可以压制多次波。
由于斜缆采集检波点深度发生变化，相应的陷波频率也在变化。具体的陷波频率为fn=nc/2h，其中，c为水层速度，h为检波器深度，n为陷波次数。斜缆采集由于陷波频率的变化，可以增加资料的低频信息，对鬼波有滤波特性，应用斜缆变深度的采集方式，可以使鬼波的陷波频率连续变化，各检波点数据经过叠加之后，可以最大程度的压制鬼波，有效频段可以明显拓宽，获得宽频数据。斜缆鬼波压制的难点主要是海面的反射系数和鬼波的延迟时间无法直接获得，从而影响鬼波的压制。
通过以上处理，可以得到高品质的地震资料，频带的低频和高频段都得到了提高，频带宽度从原来的8～40 Hz拓宽到了4～55 Hz，倍频程从2.3提高到了3.9。与窄方位老资料相比，斜缆宽频宽方位资料连续性好，空间上反射能量强度分布较均衡，上下界面接触关系更加清楚，地质信息保留更加完整，空间保幅性也较好（图3）。
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图 3 常规地震资料（左）与斜缆宽频宽方位地震资料（右）对比分析Figure 3. Comparative analysis of conventional seismic data (left) and slant streamer wide-band and wide-azimuth seismic data (right)2. 子波零相位化和鬼波压制原理
由于在地震资料采集过程中，受波高和海浪的影响，地震子波的形态横向上存在较大变化，地震接收子波与气枪理论子波存在较大差异，且地震接收子波基本不是零相位子波。为了得到高品质的地震资料，子波零相位化是一个非常重要的手段。
由于采用了倾斜电缆的采集方式，电缆信号的频宽明显增大，浅中深层均可以较好地成像；鬼波的压制效果较好，信噪比提高，采集成本明显减少。同时，应用斜缆采集的新技术，推出了各种新的处理方法，其中最重要的技术就是鬼波压制技术。本文从震源鬼波和检波器鬼波的压制2方面，重点介绍了鬼波的压制技术，采用一维滤波算子求逆压制震源鬼波；利用稀疏τ-p反演方法压制接收器鬼波[8-10]；得到了较好的处理效果。
2.1 子波零相位化及去气泡处理技术
地震子波的分辨率与子波的相位有密切相关，前人的研究认为，零相位子波与地层界面对应得最好[11-12]。因此，把现有地震子波零相位化是提高地震资料分辨率的有效手段。由于海上斜缆采集的方式是检波点深度连续变化接收到的地震信号，由于海上地震资料的陷波点只与检波器的深度有关，因此，通过应用斜缆采集的这种变深度的方式，检波器的陷波点也连续变化，产生的频带也同时包含低频和高频信息，地震资料的频带范围明显拓宽。特别在深电缆处，检波器产生的低频信号更加丰富。
由于海上地震资料采集受海况因素和大地吸收衰减的作用，使地震子波的相位发生了改变。所以海上变深度采集技术需要将地震子波零相位化。
由于检波器深度的变化，需要按照消除检波器的鬼波期望子波进行输出，求取确定的反褶积算子。具体的做法为：通过对远场子波去子波零相位化及去气泡处理，得到对应的滤波器，将滤波器应用到炮船数据。具体步骤为：①由于远场子波与最小相位子波存在时差，首先将远场子波进行36 ms的时移（图4a）；②应用滤波算子进行去气泡处理，应用合适的滤波算子（图4b），可以将气泡效应去除（4c）；③利用滤波算子（4d），将子波进行零相位化（图4e）；最终得到的子波可以看到，子波的相位谱已接近为零。
2.2 震源鬼波压制技术
由于海上地震勘探采用气枪激发，采集的地震资料上会表现出明显的气泡效应和强能量的虚反射，海平面下的震源以海平面为镜像，以镜像虚反射点为震源点激发鬼波，这就是震源鬼波产生的过程。实际上，震源鬼波是震源虚反射点信号在水面反射被检波器接收产生的波动。一般情况下，震源鬼波与有效波之间存在时间差（图5），通过震源深度和震源远场子波，可以得到一维滤波算子，通过对鬼波算子求逆，可以得到一维去震源鬼波所用的滤波器。将此滤波器应用到输入炮集中，输出炮集为去除震源鬼波的炮集。这种方法可以加强有效数据中的低频穿透，提高低频信息。该方法的优点是方法简单，方便实用，缺点是只考虑了炮集的自激自收和近炮检距的近似，远炮检距鬼波不能有效去除。
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图 5 震源及检波器鬼波产生原理示意图Figure 5. Schematic diagram showing the genesis of ghost wave from seismic shot and geophone图6是输入炮集和输出炮集的对比，可以看出，压制震源鬼波前，在有效波信号后面还存在较长的续至波，且第一个续至波就是震源鬼波的反映。通过一维震源鬼波滤波器压制后，有效波信号后的第一个尾巴明显减弱。从频谱对比可以看出，输出炮集的频谱在低频端明显变宽（图7）。
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图 6 震源鬼波压制前后道集对比图Figure 6. Comparison of gathers before and after shot ghost wave attenuation![]()
图 7 输入输出炮集压制震源鬼波前后频宽对比图Figure 7. Comparison of the bandwidth before and after attenuation ghost wave from input and output shot set2.3 接收器鬼波压制技术
接收器鬼波也是一种重要的多次波，可以采用三维稀疏τ-Px-Py反演方法加以压制。基本原理[13]是：传统的压制接收器鬼波方法主要应用f-k（频率-波数）或f-p（频率-慢度）在crossline方向上的转换方法，通常输入数据是单炮单缆，可以应用2D的τ-p反演去除鬼波。本方法针对单源多缆生成的全波场数据，应用3D稀疏的τ-p反演方法，可以有效的压制鬼波。
鬼波的延迟时间为
$$ {{T}}_i^j = 2{r_i}\sqrt {{V^{ - 2}} - {{\left( {p_x^j} \right)}^2} - {{\left( {p_y^j} \right)}^2}} $$ (1) 式中：
$ {r}_{i} $ 为检波器的距离；V为地震波在海水中的速度；
i为1，2，···，n，为总道数，n=
$ {n}_{{\rm{channel}}}\times {n}_{{\rm{cable}}} $ j为1，2，···，m，为慢度对（
$ {p}_{x}^{j}，{p}_{y}^{j} $ ）总数通过以上鬼波的延迟时间，我们引入鬼波算子
$$ {R}_{i}^{j}={{\rm{e}}}^{-i{\text{π}} f{T}_{i}^{j}}-{{\rm{e}}}^{i{\text{π}} f{T}_{i}^{j}} $$ (2) 方程（2）的第1项是上行波场，第2项是下行波场
延迟时间可以写成
$$ {\tau }_{i}^{j}={p}_{x}^{j}{x}_{i}+{p}_{y}^{j}{y}_{i} $$ (3) 式中：
$ {x}_{i} $ 为炮点偏移距；$ {y}_{i} $ 为检波点偏移距。联立方程（2）和（3），我们可以得到一次波场
$ {P_0}\left( {f;p_x^jp_y^j} \right) $ ,压力数据可以写成
$$ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{D}}\left( {f;{x_1},{y_1}} \right)}\\ \vdots \\ {{\rm{D}}\left( {f;{x_n},{y_n}} \right)} \end{array}} \right) = A\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{P_0}\left( {f;p_x^1,p_y^1} \right)}\\ \vdots \\ {{P_0}\left( {f;p_x^m,p_y^m} \right)} \end{array}} \right) $$ (4) $$ A = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {R_1^1{{\rm{e}}^{ - i2{\text{π}} f\tau _1^1}}}& \cdots & {R_1^m{{\rm{e}}^{ - i2{\text{π}} f\tau _m^1}}}\\ \vdots & \ddots & \vdots \\ {R_n^1{{\rm{e}}^{ - i2{\text{π}} f\tau _1^n}}}& \cdots & {R_n^m{{\rm{e}}^{ - i2{\text{π}} f\tau _m^n}}} \end{array}} \right] $$ (5) 其中，
$ {{\rm{e}}}^{-i\pi f{T}_{i}^{j}} $ 是转换算子$ \mathrm{\tau } $ -Px-Py第i道第j慢度对。方程（4）中的第1个挑战是输入数据通常是不规则的，需要许多慢度对才能得到想要的结果。大量的慢度对使反演变得不稳定且不唯一。因为模型空间比数据空间大得多，我们可以通过降低阶数的方法来进行反演，这样不仅能够节省费用，而且可以使反演更加稳定。
另一个挑战是，在海洋地震采集中，联络测线通常也是不规则的，使得联络测线上的地震数据高频具有很强的空间特性，可以通过低通滤波的结果作为原始输入，以此得到高频数据，通过循环得到满意的结果。
总之，应用现有的
$ {P_0}\left( {f;p_x^jp_y^j} \right) $ 通过fourier变换和τ-Px-Py变换，得到首波
$P_0^{'}\left( {{{t}};{x_i},{y_i}} \right)$ ，到目前为止，就可以得到压制鬼波数据和插值的数据了。为了更好的压制检波器鬼波，首先进行了噪音衰减，将噪音衰减后的炮集做为输入炮集（第2次A炮船炮集），经过检波器鬼波压制后，多次波信息得到明显去除，有效信号得到明显提升（图8），从叠加后剖面也可看出，鬼波压制前，有效波信号被其他信号淹没，鬼波去除后，有效波信号较为清晰地呈现了出来（图8）。从频带对比可以看出，去鬼波后，地震频带低频端有增加，高频端有降低（图9），这与之前的认识也是一致的。
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图 8 检波器鬼波压制前后道集对比图Figure 8. Comparison of gathers before and after geophone ghost wave attenuation![]()
图 9 输入输出剖面压制检波器鬼波前后频宽对比图Figure 9. The bandwidth comparison chart of geophone ghost wave before and after attenuatted section2.4 处理流程及效果分析
通过应用模型数据及实际测试数据的对比分析，建立了西湖凹陷P气田斜缆宽频宽方位地震资料的处理流程（图10）。该流程处理其他工区的斜缆宽频宽方位资料也能得到较好的效果。
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图 10 斜缆宽频宽方位地震资料处理流程图Figure 10. Flow chart of oblique cable wide-band and wide-azimuth seismic data processing图3为P气田窄方位地震资料与斜缆宽频宽方位地震资料剖面对比图，可以看出，经过此流程处理后，地震资料品质明显提高，地震资料能量更加均衡，空间反射更加一致，同相轴更加连续，信噪比更高，上下界面接触关系更加清晰。通过频谱图也可以看出，斜缆宽频宽方位地震资料在低频和高频端均有所提高，空间的保辐性也更好。从反演Vp/Vs资料（图11）对比可以看出，斜缆宽频宽方位地震资料的砂体更加连续、清晰。
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图 11 常规资料与斜缆宽频宽方位地震资料Vp/Vs剖面对比Figure 11. Comparison of Vp/Vs profiles between conventional data and wide-band and wide-azimuth slant streamer seismic data通过窄方位数据和斜缆宽频宽方位数据对比剖面（图12）可以看到，斜缆宽频宽方位数据具有更高的信噪比和分辨率，目的层同相轴更加连续；断层的成像更加清晰，特别是深部断层的成像更加干脆；从1 500 m深度切片对比图（图13）可以看出，斜缆宽频宽方位数据反映的河道形态更加清晰；从时间切片可以看到，斜缆宽频宽方位数据反映的地质体更加清晰。
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图 12 常规资料与斜缆宽频宽方位地震资料剖面频谱对比Figure 12. Comparison of frequency spectrum of broad-band and broad-azimuth slant streamer seismic profiles with conventional profiles![]()
图 13 常规资料与斜缆宽频宽方位地震资料时间深度切片对比Figure 13. Comparison of time-depth slices of wide-band and wide-azimuth slant streamer seismic data with conventional data3. 结论
（1）斜缆宽频宽方位地震资料的采集方式可以有效地压制鬼波，通过合理的技术和手段可以有效地还原数据中真实的反射信息，拓宽数据的低频信号，提高资料的信噪比，有利于提高断层和反演的稳定性。
（2）通过子波零相位化及去气泡处理技术，使远场子波相位基本归零，有效地去除了子波的气泡效应，得到了最终的零相位子波；通过上述对鬼波压制前后的单炮和叠加剖面的对比发现，本方法可以将地震资料的震源和检波器鬼波去除干净，且对有效反射波损伤较小；采用稀疏Taup反演方法去除检波器鬼波，针对全波场数据，通过循环的方法可以得到满意的结果。
（3）由于斜缆宽频宽方位地震资料的低频信号较强，高频信号较弱，导致波阻抗差异较小的地层反射界面成层性较差，这是斜缆宽频资料的一点不足，后续研究中可以采用提频、分频等方法结合使用，可能会得到较好的效果。
致谢：中海油上海分公司开发地震室研究人员为文章提供了相关研究资料，在此表示衷心感谢！
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图 2 三船斜缆宽频宽方位采集M1+M2作业方式示意图
Figure 2. A schematic diagram of M1 and M2 operation method for three ship slant streamer wide band and wide azimuth acquisition
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图 3 常规地震资料（左）与斜缆宽频宽方位地震资料（右）对比分析
Figure 3. Comparative analysis of conventional seismic data (left) and slant streamer wide-band and wide-azimuth seismic data (right)
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图 5 震源及检波器鬼波产生原理示意图
Figure 5. Schematic diagram showing the genesis of ghost wave from seismic shot and geophone
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图 6 震源鬼波压制前后道集对比图
Figure 6. Comparison of gathers before and after shot ghost wave attenuation
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图 7 输入输出炮集压制震源鬼波前后频宽对比图
Figure 7. Comparison of the bandwidth before and after attenuation ghost wave from input and output shot set
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图 8 检波器鬼波压制前后道集对比图
Figure 8. Comparison of gathers before and after geophone ghost wave attenuation
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图 9 输入输出剖面压制检波器鬼波前后频宽对比图
Figure 9. The bandwidth comparison chart of geophone ghost wave before and after attenuatted section
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图 10 斜缆宽频宽方位地震资料处理流程图
Figure 10. Flow chart of oblique cable wide-band and wide-azimuth seismic data processing
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图 11 常规资料与斜缆宽频宽方位地震资料Vp/Vs剖面对比
Figure 11. Comparison of Vp/Vs profiles between conventional data and wide-band and wide-azimuth slant streamer seismic data
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图 12 常规资料与斜缆宽频宽方位地震资料剖面频谱对比
Figure 12. Comparison of frequency spectrum of broad-band and broad-azimuth slant streamer seismic profiles with conventional profiles
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